復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

□文/朱黎蓬 張書鴛 杜恩閣

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑使用功能和外觀藝術(shù)性的要求不斷提高，建筑平面形狀和立面體形日趨復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的趨勢(shì)，與此同時(shí)基坑越挖越深，越來(lái)越大，深度達(dá)20～30 m的基坑越來(lái)越多并且基坑場(chǎng)地緊張，有些地方緊鄰紅線，周邊幾無(wú)施工場(chǎng)地，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，鄰近大量管線、建筑與地鐵構(gòu)筑物，施工難度大，要求較高，另外，業(yè)主對(duì)工期及成本皆有較為嚴(yán)格的控制，這都給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較大的挑戰(zhàn)，要求廣大設(shè)計(jì)人員付出更多的努力，進(jìn)行更深入摸索與實(shí)踐。

1 工程概述

工程為一國(guó)際知名酒店管理集團(tuán)旗下高端品牌酒店，緊鄰地鐵沿線，總建筑面積5.7萬(wàn)m2，其中地上面積3.7萬(wàn)m2，地下面積2萬(wàn)m2，由21層高塔樓與4層高裙房組成，設(shè)置3層地下室，兩者地下連成一體，地上通過抗震縫一分為二。塔樓主體高90 m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，裙房高21 m，采用框架結(jié)構(gòu)體系，見圖 1-圖 3。

圖1 工程效果

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面

圖3 塔樓剖面

2 設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程中遇到的問題和采取的措施

工程設(shè)計(jì)使用年限50 a，設(shè)防烈度7度（0.15g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類。主樓抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震構(gòu)造措施采用的等級(jí)為一級(jí)；裙樓抗震等級(jí)為三級(jí)，抗震構(gòu)造措施采用的等級(jí)為二級(jí)。

2.1 地下室主體結(jié)構(gòu)與深基坑支護(hù)逆作法相結(jié)合

工程位于地鐵沿線，距離地鐵較近，周邊高層皆先于其施工完畢，基礎(chǔ)埋深均小于此工程且本工程基坑深度達(dá)16 m，屬于超深基坑，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，臨近大量管線、建筑與地鐵構(gòu)筑物，經(jīng)專家論證，決定采用深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的逆作法施工技術(shù)，即以地下室梁板作為支護(hù)結(jié)構(gòu)水平支撐。

一般而言，傳統(tǒng)逆作法（圖4）僅是在原設(shè)計(jì)框柱中設(shè)置支護(hù)施工所需格構(gòu)柱，不改變?cè)Y(jié)構(gòu)受力模式，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意的問題僅在于梁柱節(jié)點(diǎn)處及梁縱筋與框架柱內(nèi)部附加格構(gòu)柱位置關(guān)系，無(wú)需做其他工作。但本工程樁已先期施工完畢且大多為三樁及四樁承臺(tái)，造成框柱內(nèi)格構(gòu)柱下樁無(wú)法施工，故需格構(gòu)柱外移，置于框柱外側(cè)，施工時(shí)先施工原主體結(jié)構(gòu)梁板，柱子鋼筋預(yù)留插筋后澆，圖5。

圖4 傳統(tǒng)逆施

圖5 本工程逆施

這樣原樓蓋梁受力模式轉(zhuǎn)變，在正常使用過程中為主梁者在施工過程中為次梁且梁的寬度及跨數(shù)改變，原來(lái)兩跨可能變成三跨或者一跨且原梁支座可能變?yōu)榭缰?，跨中相?yīng)變?yōu)橹ё?。故主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)增加一種施工工況設(shè)計(jì)，把原框柱去除，代之以支護(hù)格構(gòu)柱，主體構(gòu)件要按照正常使用工況及施工工況取包絡(luò)設(shè)計(jì)且梁配筋也不能按照常規(guī)設(shè)計(jì)，應(yīng)全部拉通。

此種方法成功解決了工程樁先期施工而框柱內(nèi)無(wú)法設(shè)置格構(gòu)柱情況，也可避免在傳統(tǒng)逆施下插格構(gòu)柱過程中，由于施工誤差過大造成格構(gòu)柱撓曲超過規(guī)范要求而導(dǎo)致的工程事故，有較強(qiáng)地可控性，但需要主體設(shè)計(jì)單位進(jìn)行細(xì)心設(shè)計(jì)，同支護(hù)設(shè)計(jì)單位密切配合。

通過逆施解決場(chǎng)地條件帶來(lái)的問題，通過格構(gòu)柱的外設(shè)解決逆施帶來(lái)的問題，確保結(jié)構(gòu)安全，取得較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 塔樓核心筒下大體積承臺(tái)筋優(yōu)化

塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒除承受較大豎向荷載外，還承受較大水平力及傾覆彎矩，是主要抗側(cè)力構(gòu)件，其基礎(chǔ)混凝土體量及配筋巨大，對(duì)工程經(jīng)濟(jì)性有重大影響。塔樓核心筒下承臺(tái)見圖6。

圖6 核心筒下承臺(tái)

出于受力考慮，核心筒下布置較多基樁，呈梅花形布設(shè)，經(jīng)沖切計(jì)算，確定承臺(tái)高度為2 m，經(jīng)有限元分析，縱筋配筋較大，未采用傳統(tǒng)雙層雙向滿鋪布設(shè)形式，而是采用滿鋪鋼筋+局部附加鋼筋形式，滿鋪鋼筋滿足規(guī)范要求最小配筋率并配置雙層雙向鋼筋網(wǎng)片，附加鋼筋為在承臺(tái)底部局部附加不滿足部分且鋼筋均以其兩側(cè)基樁為支座，從樁邊起算滿足錨固長(zhǎng)度。

此種方法可以節(jié)省大量混凝土受壓區(qū)域不必要鋼筋，做到經(jīng)濟(jì)合理，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 框架-核心筒結(jié)構(gòu)0.2V0調(diào)整暨核心筒剪力墻厚度優(yōu)化

框架-核心筒結(jié)構(gòu)為多道設(shè)防抗側(cè)力體系，框架為繼連梁、筒體后的第三道防線，由于其剛度較小，要使其能保證大震下的安全，則需要對(duì)其承受剪力進(jìn)行調(diào)整[1]。此調(diào)整數(shù)值的大小與核心筒和框架間剛度有關(guān)，就本工程而言，由于核心筒尺寸相對(duì)平面較大，故核心筒的剛度起控制作用，當(dāng)核心筒剛度較大時(shí)，框架部分0.2V0調(diào)整數(shù)值較大，框架配筋較大且部分超筋；當(dāng)核心筒剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)整體位移角及周期比等則不滿足規(guī)范要求，故需對(duì)核心筒墻體厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

框架-核心筒0.2V0調(diào)整要求框架部分承擔(dān)的剪力不小于MAX[MIN(0.2V0,1.5VFmax),0.15V0]。

當(dāng)?shù)撞繅w厚度為500mm時(shí)，由圖7可見，其框架部分的調(diào)整系數(shù)較大且核心筒Y向墻體由于框架過弱其剪力均放大1.1倍，說(shuō)明框架部分剛度過弱，起不到二次設(shè)防作用且核心筒墻體進(jìn)一步放大，配筋困難；經(jīng)過多輪優(yōu)化，將底部墻體厚度減小為400mm，由圖8可見，框架部分剪力僅需要相對(duì)較小調(diào)整，而剪力墻剪力則無(wú)需調(diào)整，此時(shí)剪力墻及框架配筋都在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)且結(jié)構(gòu)周期比、位移比、位移角等大指標(biāo)都在可控范圍內(nèi)。核心筒墻厚不是越厚越好，而是存在一個(gè)合理范圍，達(dá)到這個(gè)范圍就可取得較經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)果。

圖7 核心筒底部墻厚為500mm時(shí)0.2V0調(diào)整參數(shù)

圖8 核心筒底部墻厚為400mm時(shí)0.2V0調(diào)整參數(shù)

2.4 設(shè)備層設(shè)置對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度影響及優(yōu)化

因塔樓上部為客房而下部為多功能廳及宴會(huì)廳等，功能分區(qū)不同，故需要設(shè)置2個(gè)設(shè)備層，也就是管道轉(zhuǎn)換層，見圖9。設(shè)備層高度僅2.19 m，塔樓下部層高為5.1 m，上部客房為3.6 m，設(shè)備層的設(shè)置給結(jié)構(gòu)專業(yè)帶來(lái)較大難題。

圖9 設(shè)備層剖面

設(shè)備層高度過小，正常作為一層設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度有較大突變，吸收地震力過大，形成事實(shí)上的加強(qiáng)層且由于層高過低，而形成短層（極短墻與極短柱）；而其上相近樓層因?qū)痈咻^大成為薄弱層，有較大的變形，在地震作用下極易產(chǎn)生破壞，存在嚴(yán)重安全隱患。

經(jīng)過優(yōu)化，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，將設(shè)備層不作為一層輸入，即以設(shè)備層與其上一層合并為一層設(shè)置，而設(shè)備層通過結(jié)構(gòu)正常樓層上設(shè)立小柱+小梁來(lái)實(shí)現(xiàn)，弱化了設(shè)備層剛度影響，隨之帶來(lái)的問題是形成兩個(gè)層高較高樓層，一個(gè)為7.3 m，另一個(gè)為5.8 m，通過合理優(yōu)化墻厚及連梁高度，控制結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)薄弱層，但為保證安全，將這兩層強(qiáng)制指定為薄弱層，以策安全，見圖10和圖11。

圖10 設(shè)備層作為單獨(dú)層時(shí)位移角

圖11 設(shè)備層不作為單獨(dú)層（即大層高）時(shí)位移角

3 結(jié)語(yǔ)

超深基坑，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，臨近大量管線、建筑與地鐵構(gòu)筑物，通過地下室主體結(jié)構(gòu)與深基坑支護(hù)逆作法相結(jié)合的方式可較好解決工程問題，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以大量節(jié)省臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用，節(jié)約資源，有利于基坑工程的可持續(xù)發(fā)展；

2）具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，可縮短工程施工的總工期；

3）基坑變形小且對(duì)周圍環(huán)境影響小。

酒店功能復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)要求較高，通過深入細(xì)致工作，經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取可靠措施方能實(shí)現(xiàn)建筑及設(shè)備功能要求，貫徹國(guó)家對(duì)建筑工程安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，如通過設(shè)備層的合理處理，即滿足酒店功能要求，又使得結(jié)構(gòu)安全得以保證。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)反復(fù)論證，使結(jié)構(gòu)剛度適中、剛?cè)嵯酀?jì)，使得核心筒墻體厚度在合理范圍內(nèi)，既滿足安全要求，又保證工程造價(jià)在相對(duì)合理范圍內(nèi)，從而取得較好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].